諧波平衡法仿真原理和基本概念介紹

諧波平衡法仿真主要應(yīng)用于射頻低噪聲放大器、混頻器和振蕩器電路設(shè)計(jì)和仿真中。在射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也常用于系統(tǒng)諧波和交調(diào)干擾信號(hào)的仿真分析，是ADS對(duì)射頻電路仿真獨(dú)特的一種仿真方式。

今天的內(nèi)容從下面幾個(gè)方面展開：諧波平衡仿真原理和基本概念、仿真控制器介紹、諧波平衡法仿真實(shí)例包括單音信號(hào)的諧波平衡法仿真實(shí)例和雙音信號(hào)的諧波平衡法仿真實(shí)例基本等內(nèi)容。

諧波平衡法仿真原理和基本概念

諧波平衡仿真通過對(duì)時(shí)域周期性信號(hào)做傅里葉變換，來獲得電路的頻域特性，是分析非線性信號(hào)頻率特性的有力工具。諧波平衡法仿真支持電路進(jìn)行多音信號(hào)仿真，并通過迭代算法，逼近輸出信號(hào)相應(yīng)基波、諧波的穩(wěn)態(tài)解。在迭代結(jié)束后，可以獲得電路網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)、三階交調(diào)點(diǎn)、本振泄露、鏡像抑制以及交調(diào)干擾等參數(shù)。相比于時(shí)域仿真，諧波平衡法仿真在頻域可以較好地描述射頻電路與系統(tǒng)，建立頻域模型，并最終獲得穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。諧波平衡法仿真具有以下功能：分析輸入、輸出信息的頻譜分量；分析電路三階交調(diào)點(diǎn)、總諧波失真，交調(diào)干擾等參數(shù)；分析非線性電路的噪聲特性。

三階交調(diào)是三階交調(diào)截取點(diǎn)IP3（Third-order Intercept Point）的簡稱，在射頻或微波多載波通信系統(tǒng)中，三階交調(diào)點(diǎn)是一個(gè)衡量線性度或失真的重要指標(biāo)。交調(diào)失真對(duì)模擬微波通信來說，會(huì)產(chǎn)生臨近信道的串?dāng)_，對(duì)數(shù)字微波通信來說，會(huì)降低系統(tǒng)的頻譜利用率，并使誤碼率惡化；因此容量越大的系統(tǒng)，要求IP3越高，IP3越高表示線性度越好和更少失真。IP3通常用兩個(gè)輸入音頻測試，這里所指的音頻與我們?cè)诘皖l電阻線路的音頻有區(qū)別，實(shí)際上是兩個(gè)靠的逼近近的射頻或微波頻率。

諧波平衡法仿真面板與仿真控制器

1、標(biāo)準(zhǔn)諧波平衡法仿真控制器（Harmonic Balance）：在諧波平衡法仿真控制器中主要設(shè)置諧波平衡法仿真的輸入基波頻率、最高次諧波頻率、仿真選項(xiàng)以及噪聲分析等內(nèi)容。

2、諧波平衡法仿真選項(xiàng)控制器（OPTION）：可以設(shè)置諧波平衡放真的環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、放著呢收斂性等，參數(shù)意義與S參數(shù)仿真控制器中的定義相同。

3、諧波平衡法掃描方案控制器（SWEEP PLAN）：在該控制器中可以設(shè)置諧波平衡法仿真的環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、仿真收斂性等

4、參數(shù)掃描控制器(PARAMETER SWEEP)

可以設(shè)置諧波平衡法仿真的掃描變量、仿真控制器等信息

5、終端（Term）

可以定義網(wǎng)絡(luò)端口阻抗信息，是進(jìn)行諧波平衡法仿真必備的元件。

6、線性化預(yù)算控制器（BUDGET LINEARIZATION）

在仿真中分析電路的線性化程度。

7、諧波噪聲控制控制器（HB NOISE CONTROLLER）

主要用于在仿真中設(shè)置電路的噪聲頻率、節(jié)點(diǎn)等信息

8、單端口振蕩器端口元件（OscPort）

9、差分振蕩器端口元件（OscPort2）

10、時(shí)域電流波形控制器（It）

主要在仿真中顯示電路時(shí)域電流的波形

11、時(shí)域電壓波形控制器（Vt）

12、功率控制器（Pt）

13、頻域電流波控制器（Ifc）

14、頻域電壓波形控制器（Vfc）

15、功率譜密度顯示控制器（Pspec）

16、輸入三階交調(diào)點(diǎn)分析控制器（IP3in）

17、輸出三階交調(diào)點(diǎn)分析控制器（IP3out）

18、N階交調(diào)點(diǎn)分析控制器（IPn）

19、信噪比分析控制器（SNR）

20、預(yù)算分析控制器：主要用于在仿真中對(duì)電路的頻率、增益、增益壓縮點(diǎn)、反射系數(shù)、三階交調(diào)點(diǎn)、噪聲、信噪比以及駐波比等參數(shù)進(jìn)行欲估計(jì)。

諧波平衡法仿真實(shí)例

采樣放大器電路進(jìn)行諧波平衡法仿真，主要包括單音信號(hào)和雙音信號(hào)兩大類的諧波平衡法仿真，分別觀測放大器輸出信號(hào)高次諧波以及輸入、輸出三階交調(diào)點(diǎn)特性。

單音信號(hào)的諧波平衡法仿真

進(jìn)行放大器單音信號(hào)諧波平衡法仿真的主要目的是為了觀測放大器輸出信號(hào)的高次諧波，以此來判定放大器的線性化程度。在單端輸入、單端輸出放大器中，主要觀測二次和三次諧波與基波的比值，一般的標(biāo)準(zhǔn)是二次和三次諧波相比基波的衰減在60dB以上，可視為該放大器的線性度較為理想。衡量線性度具體指標(biāo)的輸入、輸出三階交調(diào)點(diǎn)將在雙音信號(hào)諧波平衡法仿真中進(jìn)行討論。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1、這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在之前的基礎(chǔ)上完成的，因?yàn)槭菃我粜盘?hào)的諧波平衡仿真，所以，這里輸入的信號(hào)源是單頻率的信號(hào)源，在“Source-Freq Domain”中選擇P_1Tone信號(hào)源作為輸入信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。

2、之后在諧波平衡法中。

3、再在輸入輸出端，對(duì)線進(jìn)行標(biāo)記，這樣好看結(jié)果。還要增加一個(gè)測量公式控制器。

這里的公式表示的是輸出信號(hào)的功率，這里的[1]表示計(jì)算的基波信號(hào)，[0]和[2]分別表示的是直流信號(hào)和二次諧波。

4、最終的原理圖如下圖所示：

5、進(jìn)行仿真和觀察結(jié)果。觀察輸出信號(hào)的各次諧波的能量分布，以及看基波的功率輸出，如下：

可以看出，輸出基波功率是-18.963dB，二次諧波和三次諧波分布是-66.271dB和-98.732dB。可以看到二次諧波相比于基波衰減小于60dB，所以該放大器的線性度不是很好，要大于60dB才很好，所以放大器還是有改進(jìn)的地方。

雙音信號(hào)的諧波平衡法仿真

通過單音信號(hào)諧波平衡法仿真，我們進(jìn)行了放大器線性度的基本仿真，放大器線性度的衡量指標(biāo)主要通過輸入、輸出三階交調(diào)點(diǎn)來反映，而輸入三階交調(diào)點(diǎn)又可以通過輸出三階交調(diào)點(diǎn)除以增益得到，所以以下就采用雙音諧波平衡法仿真輸出三階交調(diào)點(diǎn)。輸出三階交調(diào)點(diǎn)大于10dB以上時(shí)，放大器的線性度較為良好，這里也以此指標(biāo)作為雙音諧波平衡法仿真的基本目標(biāo)。

1、這里就需要兩個(gè)信號(hào)來進(jìn)行仿真，把“P_1Tone”換位“P_nTone”，中，設(shè)置頻率分別為如下設(shè)置，這里出現(xiàn)了三個(gè)變量，RF_freq、fspacing、RF_pwr，后面需要對(duì)他們進(jìn)行定義和初始化。

它分別表示的是輸入信號(hào)的頻率是2.4GHz，信號(hào)的輸入功率是-30dB，頻率間隔是10MHz。

2、在諧波平衡法仿真控制面板中，選擇ipol_upper和ipol_down，分別表示上變頻和下變頻的輸出三階交調(diào)點(diǎn)。對(duì)ipol_down進(jìn)行修改，修改公式為：ipo2=ip3_out(vout，{0,1},{-1,2},50)。

3、設(shè)置諧波平衡仿真控制器，設(shè)置雙音信號(hào)最高的混頻諧波頻率和諧波次數(shù)。分別為5。

最后的電路圖如圖所示：

這里要注意的是Freq[1]和Freq[2]在信號(hào)源設(shè)置和諧波仿真控制器設(shè)置的時(shí)候順序不能反，否則沒有效果。

4、對(duì)其進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

將2.4GHz附近的點(diǎn)進(jìn)行展開，設(shè)置x坐標(biāo)

可以看到：

最后觀察三階交調(diào)點(diǎn)。

上圖分別是上變頻和下變頻的輸出三階交調(diào)點(diǎn)。三階交調(diào)點(diǎn)均在10dB附近就是放大器的線性度就比較好。

可以看結(jié)果不是很理想，但是我們知道了怎么對(duì)三階交調(diào)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并且知道了怎么進(jìn)行諧波平衡仿真，怎么判斷一個(gè)放大器的線性度是否良好，怎么進(jìn)行單音信號(hào)的諧波平衡法仿真、怎么進(jìn)行雙音信號(hào)的諧波平衡法仿真，怎么仿真出三界交調(diào)點(diǎn)。